生物活性炭(PACT)工艺研究

生物活性炭(PACT)工艺研究

1 引言

生物活性炭法(PACT)是指将粉末活性炭投加到好氧系统的回流污泥中，通过含炭污泥中粉末活性炭(PAC)与活性污泥中微生物的相互作用，提升对废水中污染物的去除效果.目前较多应用在印染废水、化工废水、垃圾渗滤液的处理中.研究表明，PACT工艺的促进机理主要在于系统内“吸附-降解-再生-再吸附”的协同作用，涉及到复杂的吸附与生物降解同步作用过程，因此在具体微观机理和动力学模型方面仍有研究空间.此外，对PACT工艺的宏观生物强化效果，也缺乏全方位的表征，使得PACT工艺在实际运行中缺乏相应的针对性.

本文以印染园区实际综合废水为处理对象，主体处理工艺为水解酸化+A2/O工艺，通过平行对比A2/O与A2/O(PACT)中试运行效果，从常规处理指标(尤其是低温运行条件下)入手对比PACT工艺的强化作用，再通过毒性、重金属指标、GC-MS、紫外-可见光光谱等表征手段，重点研究PACT系统的生物强化特性，探讨PACT工艺的主要作用目标和规律.本研究对深入理解PACT工艺作用机理、提高PACT作用效率以及实现园区综合废水的有效处理，具有较大的借鉴意义.

2 材料与方法

2.1 实验水样及材料

实验以苏南某印染废水为主(印染废水占85%，化工废水占10%，生活污水占5%左右)的园区集中污水处理厂水解酸化处理出水为试验对象(进水).由于进水水质不尽相同，因此其具体水质指标见相应实验结果.

粉末活性炭为100目木质炭(溧阳东方活性炭厂)，经检测(ASAP2010，Micromeritics，美国)，该粉末活性炭的内部性质为：BET 比表面积532.26 m2 · g-1，微孔(<2 nm)体积0.1 cm3 · g-1，中孔(2~50 nm)体积0.449 cm3 · g-1，平均孔径3.8 nm.

2.2 实验装置及运行条件

本研究的实验装置如图 1所示.

图 1 实验装置结构图

中试实验装置含A2/O反应器以及二沉池，其中A2/O反应器有机玻璃材质，有效容积为1.0 m3. 二沉池为竖流式沉淀池，表面负荷0.63 m3 · m-2 · h-1. A2/O反应器实验装置

内分5格，HRT比为2 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 1，其中前二格可以实现回流及搅拌，形成A2/O 反应器.

运行条件：废水处理量1.0 m3 · d-1，即系统HRT=24 h.污泥回流和硝化液回流比均为100%.根据之前的实验结论，PACT工艺中粉末活性炭的投加量为100 mg · L-1，分两次均匀干式投加，总投加量为100 g · d-1.启动时活性污泥投加量为1500 mg · L-1(MLSS 当量)，污泥MLSS超过4000 mg · L-1时适当排泥.装置运行时溶解氧控制在3.0 mg · L-1.除特殊说明外，实验条件均为常温，检测数据为1个月平均值.

2.3 实验与分析方法

总有机碳的检测仪器为岛津TOC-V CPH.毒性的检测使用仪器为deltaTOX，仪器可以精确检测光子数来推断发光细菌存活量，其中光损失数代表水样的毒性(详见表 1).金属离子含量的检测采用电感耦合等离子光谱(ICP-AES)，型号J-A1100.

表1 光损失数与毒性关联性

采用GC-MS检测废水中所含有机物，仪器型号及具体检测方法参考相关文献报道.

紫外-可见吸收光谱仪型号为岛津UV-2201.分子量测试采用凝胶渗透色谱(GPC)方法进行测试，仪器：Waters 515型凝胶色谱仪，Waters 2410示差折光检测器，标准品：聚乙二醇(PEG).柱子：Waters Ultrahydrogel 500和Ultrahydrogel 120两柱串联(7.8 mm×300 mm);流动相：0.1 mol · L-1硝酸钠水溶液;流速：0.8 mL · min-1;进样量：50 μL; 柱温：40℃.

采用扫描电镜(S-3400N II，Hitachi，日本)对实验中相关活性污泥进行表征.

其他实验分析指标中，包括MLSS、COD等均按照国标法进行测试.

3 结果和讨论

3.1 常规指标去除效果

从反应器常规运行角度出发，比较了投加粉末活性炭前后A2/O反应器处理效果的变化，具体见表 2.

表2 A2/O与A2/O(PACT)对常规指标的去除效果对比分析

由表对比可知，PACT工艺对COD去除率的提升超过10%，同时在色度去除方面具有较高的强化作用，但在氨氮、总氮和总磷的强化去除方面，PACT系统的促进效果均不明显.通过计算，在实际处理浓度较低的综合印染废水水解酸化出水时，PACT的处理效果可以达到

0.6~1.0 kg · kg-1活性炭.此外，活性炭的投加对生化系统污泥的形态也有促进效果，可以有效降低SVI指数，控制污泥膨胀.

在此基础上，重点考察了低温条件下(10℃以下)A2/O反应器的长期稳定运行效果，尤其是在粉末活性炭投加前后对COD的去除效果对比，具体见图 2(横坐标为实验日期).

图 2 不同条件下A2/O系统对COD去除情况

表3 不同条件下的COD去除效果(平均值)

在进入低温运行条件后，由于园区企业整体的前端预处理效果变差，导致进水COD猛增，原水的平均值达到378.34 mg · L-1，水解酸化作用也由于受气温的影响，效率大大降低，对COD的去除率只有31%，低于常温条件下的37.4%，导致后续A2/O对COD的去除率不高，仅为43%.但对比PACT工艺，在进水和水解酸化效率相差不大的情况下，由于在A2/O中添

加了粉末活性炭，强化了生化作用，其对COD的去除率达到55.8%.这也表明在低温条件下，投加粉末活性炭可以有效提高A2/O系统处理效果的稳定性，相关文献也有类似报道.

3.2 毒性及重金属指标检测

A2/O与A2/O(PACT)出水TOC、毒性、BOD5/COD的对比检测结果如表 4所示.

表4 A2/O与A2/O(PACT)毒性去除效果对比分析

对比可知，废水经过水解酸化之后具有较高的毒性，说明水解酸化环境不适合发光细菌生存.A2/O处理之后，有毒物质基本被去除殆尽，因此出水基本没有毒性，而投加活性炭的A2/O(PACT)，其出水毒性更低，同时TOC和B/C也更低，从另外一个角度证明了A2/O(PACT)对生化降解的强化作用.

A2/O与A2/O(PACT)对废水中金属离子的去除效果对比如表 5所示.

表5 A2/O与A2/O(PACT)金属离子去除效果对比分析

结果表明：废水中Cd、Co、Cr、Pb等重金属均未检出，表明印染废水中重金属离子含量较低.而对比A2/O(PACT)的结果表明，PACT工艺对金属离子的去除并无明显的强化作用.

3.3 GC-MS分析

GC-MS检测过程的总离子流图见图 4，进水中总计检出32种有机污染物，其中烷烃及氯代烷烃类7种，烯1种，醚2种，酯4种，醇4种，苯及苯胺类9种，杂环类3种，酸类2种，经过A2/O处理后，有机污染物得到有效的处理，表 5中罗列了部分检出的具可比性的关键有机污染物.

由表 6可知，经PACT生物强化之后，A2/O(PACT)出水中有机物明显减少，尤其对苯胺、萘以及杂环类(喹啉)物质的去处效果更佳，明显优于常规A2/O工艺.这与粉末活性炭的吸附